通過隔離進(jìn)行供電：隔離式 DCDC 偏置電源解決方案（一）

1.前言

可供電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員使用的工具箱不斷增加。要為工作選擇合適的工具，我們需要充分了解工作，知道存在哪些類型的工具，以及如何充分利用它們。

確?？绺綦x屏障的良好信號(hào)和電源傳輸是設(shè)計(jì)人員面臨的共同挑戰(zhàn)。為了安全和抗噪性，或由于系統(tǒng)域之間的潛在差異，隔離可能是必要的。例如，手機(jī)充電器內(nèi)部是絕緣的，這樣用戶在發(fā)生短路時(shí)不會(huì)直接接觸到電。在工廠機(jī)器人等應(yīng)用中，敏感的控制電路放置在單獨(dú)的接地上，該接地與感應(yīng)大直流電流并導(dǎo)致噪聲和接地反彈的電機(jī)隔離。

通信和傳感通?？绺綦x屏障實(shí)施。使用 CAN 或 CAN FD 協(xié)議通信的汽車應(yīng)用可以使用具有集成隔離功能和收發(fā)器組件的隔離式 CAN 收發(fā)器來隔離來自車輛高壓側(cè)的信號(hào)。工業(yè)應(yīng)用可以使用 CAN 協(xié)議進(jìn)行長(zhǎng)距離串行通信，也可以使用 RS-485 協(xié)議。與隔離 CAN 和 CAN FD 信號(hào)類似，設(shè)計(jì)人員可以利用專為 RS-485 協(xié)議設(shè)計(jì)的隔離收發(fā)器。保護(hù)繼電器使用隔離的電流和電壓傳感器來感應(yīng)通過電網(wǎng)的功率。當(dāng)牽引逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到來自電機(jī)控制器的脈寬調(diào)制信號(hào)并將其通過絕緣體時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)打開或關(guān)閉絕緣柵雙極晶體管。

隔離式偏置轉(zhuǎn)換器通過提供從絕緣屏障一側(cè)到另一側(cè)的偏置電源來實(shí)現(xiàn)隔離式通信和感測(cè)。電流和電壓傳感器、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)器通常需要不到 15W 的功率，低至幾十毫瓦或更少。圖 1 顯示了這些應(yīng)用的示例。

2.隔離式 DC/DC 偏置電源要求

從帶有外部電源開關(guān)的控制器到將控制器和電源開關(guān)集成在一起的轉(zhuǎn)換器，再到將控制器、電源開關(guān)和變壓器集成到一個(gè)封裝中的最終電源模塊，有多種解決方案可以提供隔離偏置電源。對(duì)于這些不同的偏置電源解決方案和各種應(yīng)用，了解應(yīng)用的要求以滿足所需的規(guī)格并同時(shí)最大限度地降低成本非常重要。

圖 1：隔離偏置應(yīng)用

表 1：每種情況下所需的隔離式偏置轉(zhuǎn)換器規(guī)范

設(shè)計(jì)人員必須充分了解偏置電源輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出功率的要求。某些應(yīng)用可能需要多個(gè)偏置電壓，因此為每個(gè)應(yīng)用定義適當(dāng)?shù)妮敵稣{(diào)節(jié)非常重要。絕緣等級(jí)、環(huán)境工作溫度范圍、EMI 和 EMC 等系統(tǒng)要求會(huì)影響設(shè)計(jì)決策。表 1 僅顯示了無數(shù)不同的隔離偏置轉(zhuǎn)換器規(guī)范中的四種作為示例。

現(xiàn)在讓我們看一下典型的隔離式偏置電源拓?fù)洹?/span>

反激式轉(zhuǎn)換器是一種眾所周知的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已經(jīng)使用了幾十年。這種電源轉(zhuǎn)換器具有廣泛的范圍和低成本，使其可用于各種應(yīng)用。隨著 FET 的集成和初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié) (PSR) 技術(shù)的進(jìn)步，這種拓?fù)湓絹碓绞軞g迎。

與正向、推挽和半橋等降壓衍生拓?fù)湎啾?，反激拓?fù)渲恍枰粋€(gè)初級(jí)開關(guān)、一個(gè)整流器和一個(gè)類似于變壓器（變壓器）的耦合電感器。圖 2 顯示了該轉(zhuǎn)換器的示意圖。當(dāng)初級(jí)開關(guān)打開時(shí)，輸入電壓被吸入初級(jí)繞組，能量?jī)?chǔ)存在變壓器的氣隙中。在這種狀態(tài)下，輸出負(fù)載僅由輸出電容器供電。當(dāng)初級(jí)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器中的能量通過整流器轉(zhuǎn)移到次級(jí)開關(guān)，提供給負(fù)載并對(duì)輸出電容器充電。

圖 2：反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器適合用作偏置轉(zhuǎn)換器的原因有很多。該轉(zhuǎn)換器在單個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)中提供控制和隔離。此外，由于其出色的靈活性，它對(duì)于多個(gè)輸出很有用。輸出繞組的數(shù)量可以根據(jù)選定的條件選擇并繞在變壓器上。輸出繞組上的相應(yīng)電壓用作脈沖系數(shù)和初級(jí)與次級(jí)繞組的匝數(shù)比。每個(gè)輸出還可以參考不同的接地，以滿足系統(tǒng)隔離要求。相對(duì)較低的成本和較寬的輸入和輸出操作范圍也是反激式的優(yōu)點(diǎn)。

為了獲得最佳性能，根據(jù)情況設(shè)計(jì)反激變壓器非常重要。特別是在多路輸出時(shí)，變壓器必須與低漏電感很好地耦合，以實(shí)現(xiàn)最高效率和最佳調(diào)節(jié)。但是，為了防止過大的 EMI，需要限制從初級(jí)側(cè)移動(dòng)到次級(jí)側(cè)時(shí)出現(xiàn)的寄生電容。

3.Fly-Buck? 轉(zhuǎn)換器

Fly-buck 轉(zhuǎn)換器是德州儀器 (TI) 獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許設(shè)計(jì)隔離式偏置電源。該轉(zhuǎn)換器可在高達(dá) 100V 的輸入電壓下工作。與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，MOSFET 通常集成在 IC 內(nèi)部，初級(jí)側(cè)的控制非常簡(jiǎn)單。圖 3 顯示了一個(gè) Fly-buck 轉(zhuǎn)換器的示意圖。這種拓?fù)涫褂靡粋€(gè)電感器與一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器耦合來生成一個(gè)或多個(gè)隔離輸出。當(dāng)高壓開關(guān)打開時(shí)，初級(jí)側(cè)就像一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，次級(jí)繞組電流為零。當(dāng)?shù)蛪洪_關(guān)關(guān)閉時(shí)，次級(jí)側(cè)依靠初級(jí)側(cè)儲(chǔ)存的能量工作。

圖 3：Fly-Buck 轉(zhuǎn)換器

同步降壓轉(zhuǎn)換器的廣泛使用使 Fly-buck 轉(zhuǎn)換器成為一種有吸引力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在初級(jí)輸出電壓下，反饋環(huán)路可以關(guān)閉，無需額外的輔助繞組或光耦合器來控制轉(zhuǎn)換器。耦合電感的結(jié)構(gòu)具有極好的靈活性。這是因?yàn)樵褦?shù)比、絕緣額定值、次級(jí)匝數(shù)和 PWM 脈沖因子可以根據(jù)各種應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。

與反激式轉(zhuǎn)換器一樣，必須針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)耦合電感。在限制從初級(jí)側(cè)移動(dòng)到次級(jí)側(cè)時(shí)出現(xiàn)的寄生電容的同時(shí)，管理漏電感非常重要。

對(duì)于要求輸入電壓高于 100V 的應(yīng)用，可以使用帶有外部 MOSFET 的快速降壓轉(zhuǎn)換器。